一种协同履带式的四足机器狗的制作方法

本发明涉及一种机器狗。特别是涉及一种协同履带式的四足机器狗。

背景技术：

当前国内鲜有能够在复杂地形下能够进行救援和补给的机器人，普通的履带机器人在运动方面存在局限性，无法适应崎岖复杂的地形。相对于履带式机器人，四足式机器人有更强的灵活性，将依靠履带贴地平面支撑优化为以腿部落脚的四个点支撑，以狗的身型为原型设计仿生机器人，下蹲、站立、行走、跳跃等姿势可以突破复杂空间的局限性。背部可以承载一定重量的物资，在一些自然灾害中为受灾者提供补给。

专利cn109176455a和cn109178138a所公开的一类四足机器人，均采用液压缸加推杆的模式实现四组机器人腿部的运动。腿部采用液压推杆的结构，虽然在承重方面有一定的优势，但是在行走时腿部运动的角度范围很小，导致其行程较小，面对较高的障碍物时不能有效的通过。

专利cn108749951a所公开的一种四足机器人，腿部结构将大腿和小腿合并为一，即腿部弯曲的角度固定，虽然带有减震弹簧，但若遇到不平整的地形，抬腿时就会容易踩空或者受阻。并且其机器人的自由度只有一个方向，不能实现转弯功能。

专利cn108639180a所公开的一种三腿节四足机器人，其侧摆关节模块、髋关节和膝关节都采用不同结构的电机。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种机械结构简单，便于控制，运动灵活的协同履带式的四足机器狗。

本发明所采用的技术方案是：一种协同履带式的四足机器狗，包括躯干主体，分别连接在所述躯干主体四个端部的能够在平坦道路或复杂地形上行走且能够自行折叠及旋转的四个肢腿，以及通过电磁铁连接在所述躯干主体腹部、用于带动躯干主体和四个肢腿整体在平坦道路行走的履带小车。

所述的躯干主体包括有框架前横梁和框架后横梁，分别连接在所述框架前横梁和框架后横梁上端边之间的若干条框架上纵梁，连接在所述框架前横梁和框架后横梁下端边之间的框架下纵梁，以及连接在相对应的框架上纵梁和框架下纵梁之间的支撑肋，所述的电磁铁连接在所述框架下纵梁的下端面上，所述框架前横梁的两端和框架后横梁的两端分别设置有用于连接并驱动所述四个肢腿旋转的躯干舵机驱动机构。

所述框架前横梁的两端分别形成有前躯干舵机轴孔和前躯干舵机固定孔，所述框架后横梁的两端分别形成有后躯干舵机轴孔和后躯干舵机固定孔，所述的躯干舵机驱动机构，包括有分别设置在所述框架前横梁两端内侧的两个前躯干舵机，以及分别设置在所述框架后横梁两端外侧的两个后躯干舵机，所述两个前躯干舵机的第一输出轴对应贯穿形成在所述框架前横梁上的前躯干舵机轴孔连接位于框架前横梁外侧的用于连接所述四个肢腿中前端两个肢腿的前连接法兰盘，所述两个后躯干舵机的第二输出轴对应贯穿形成在所述框架后横梁上的后躯干舵机轴孔连接位于框架后横梁内侧的用于连接所述四个肢腿中后端两个肢腿的后连接法兰盘。

所述的四个肢腿结构相同，所述四个肢腿中前端两个肢腿和后端两个肢腿均为对称设置，并且，位于躯干主体同一侧的两个肢腿设置方向相同，所述的四个肢腿均包括有用于与所述的躯干舵机驱动机构中的前连接法兰盘或后连接法兰盘相连接的大腿舵机连接件，固定连接在所述大腿舵机连接件的一个侧面上的大腿舵机，所述大腿舵机的输出轴贯穿所述大腿舵机连接件并通过位于大腿舵机连接件另一侧面的大腿舵机连接法兰盘连接大腿主干连接件，所述大腿主干连接件固定连接大腿主干的一端，所述大腿主干的另一端固定连接小腿舵机连接件，所述小腿舵机连接件的一个侧面上固定连接有小腿舵机，所述小腿舵机的输出轴贯穿所述小腿舵机连接件通过位于小腿舵机连接件另一侧面的小腿舵机连接法兰盘连接小腿主干连接件，所述小腿主干连接件固定连接小腿主干的一端，所述小腿主干的另一端连接脚套。

所述的大腿舵机连接件包括有大腿舵机连接板，所述大腿舵机连接板上部分通过支撑肋板设置有用于与所述前连接法兰盘或后连接法兰盘固定连接的法兰盘连接板，所述法兰盘连接板上形成有用于固定前连接法兰盘或后连接法兰盘的法兰盘固定孔，所述大腿舵机连接板的下部分形成有用于贯穿所述大腿舵机的输出轴的大腿舵机轴孔，以及用于固定所述大腿舵机的大腿舵机固定孔。

所述的小腿舵机连接件包括有小腿舵机固定板和一体形成在所述小腿舵机固定板一侧的用于连接大腿主干的大腿主干连接套，所述大腿主干连接套上形成有用于插入大腿主干下端部的下端部插入孔，所述大腿主干连接套的套壁上形成有若干个用于固定大腿主干的大腿主干固定孔，所述小腿舵机固定板上形成有用于贯穿所述小腿舵机第三输出轴的小腿舵机轴孔和用于固定所述小腿舵机的小腿舵机固定孔。

所述的大腿主干连接件和小腿主干连接件结构相同，均包括有与所述的大腿舵机连接法兰盘或小腿舵机连接法兰盘固定连接的连接件主体，沿所述连接件主体轴向形成的用于插入所述大腿主干或小腿主干上端部的上端部插入孔，所述连接件主体径向形成有用于固定所述大腿主干或小腿主干上端部的主干固定孔。

所述上端部插入孔在所述连接件主体上为贯通形成，所述连接件主体上与所述上端部插入孔相垂直的形成有方便安装大腿主干或小腿主干上端部的辅助孔。

所述的前连接法兰盘、后连接法兰盘、大腿舵机连接法兰盘和小腿舵机连接法兰盘结构相同，均包括有法兰盘底盘，所述法兰盘底盘中心垂直向外凸出的形成有凸台，所述凸台轴心形成有用于与前躯干舵机或后躯干舵机或大腿舵机或小腿舵机的输出轴固定连接的连接孔，所述凸台的侧面形成有与所述的连接孔相连通用于固定前躯干舵机或后躯干舵机或大腿舵机或小腿舵机的输出轴的固定螺孔，所述法兰盘底盘上沿圆周形成有若干个用于与所述大腿舵机连接件、大腿主干连接件和小腿主干连接件固定连接的法兰盘连接孔。

本发明的一种协同履带式的四足机器狗，采用较为简单的机械结构，实现四足机器狗能够便于控制，灵活运动，适应较为复杂的地形环境。而在较为平坦的地形时，四肢可以自行折叠翻转，由履带小车负载躯体运动，节省能源。在地形较为复杂的环境下，本发明的机器狗模拟仿生犬类的行走姿态，以三点支撑的方式保持平衡，实现第四条腿的迈进，依次循环，达到前进。除了用四肢行走之外，通过前肢腿和后肢腿的配合，可以使四条腿分别以两个主关节为轴实现折叠，四足机器人的重心降低，腹部的履带车着地，位于躯干四端的躯干舵机可将以折叠的前肢腿和后肢腿向上翻转，完全脱离地面，由履带车带动身体前进。

本发明的一种协同履带式的四足机器狗，采用纯电机驱动也能实现较高的负载，液压缸虽然能够提升负载，但行程有限，运动能力和灵活性远不及电机，用电机能够实现腿部大幅度的位移。相对于公开号cn109176455a的专利申请的机器人两条前肢腿和两条后肢腿的主关节相对，运动时有可能会发生碰撞而言，本发明的机器狗的腿部结构中两个主关节相向设置，运动时有效的增加了步宽，提高了运动能力。

本发明的机器狗大腿和小腿连接处安装有电机，小腿可以单独抬起或放下，大腿和躯干连接处也装有电机，可以实现转弯功能，大大提升了机器人的灵活性，以及步态的多样性。

本发明的机器狗每个关节装配的都为相同的电机，腿部仅由电机、骨干以及连接件构成，结构更为简单，组装时更加便捷，也便于维修更换。

本发明的一种协同履带式的四足机器狗的腿部结构相对于已有的四足机器人来讲更为简单可靠，可以实现自行的折叠以及旋转。除了用四肢行走之外，通过前肢腿和后肢腿的配合，可以使四条腿分别以两个主关节为轴实现折叠，四足机器狗的重心降低，腹部的履带车着地，位于躯干四端的躯干舵机可将以折叠的前肢腿和后肢腿向上翻转，完全脱离地面，由履带车带动身体前进。由于腿部特殊的结构，该四足机器狗还可以实现直立行走，通过对舵机角度的调整，改变其身体的姿态，可以由两个后肢腿作为支撑，改变大腿骨干的角度，实现直立。

本发明具有如下优点和积极效果：

1、通过本发明的的电机与连接件的机械结构，有效的减少了构件的数目，降低了成本，方便拆装，便于维修和更换部件。

2、腿部材质选用碳纤维，有效的的减轻了机器狗的自重，采用大扭矩的电机则可以大大提升该机器的负重效果。

3、在机器狗腹部加装履带车底盘，有效的节省了能源的消耗，面对较为平坦的道路时，可以自行折叠四肢，并通过横向连接件使四肢翻折，让履带车自行工作。

4、采用仿生机器狗的机械结构，模拟犬类的步态，以达到运动的平稳效果。

5、选用磁编码减速电机充当四足机器狗的关节，可实现闭环控制的效果，使四足机器狗的运动效果更加精确可控、灵活连贯。还可以通过前肢腿和后肢腿的配合，可以使四条腿分别以两个主关节为轴实现折叠，四足机器人的重心降低，腹部的履带车着地，位于躯干四端的躯干舵机可将以折叠的前肢腿和后肢腿向上翻转，完全脱离地面，由履带车带动身体前进。

附图说明

图1是本发明一种协同履带式的四足机器狗的整体结构示意图；

图2是本发明中躯干主体的结构示意图；

图3是本发明中躯干主体的俯视图；

图4是图3中b部分的局部放大示意图；

图5是图3中c部分的局部放大示意图；

图6是本发明中大腿舵机连接件的结构示意图；

图7是本发明中小腿舵机连接件的结构示意图；

图8是图1中d部分的局部放大示意图；

图9是本发明中大腿主干连接件的结构示意图；

图10是本发明中大腿舵机连接法兰盘或小腿舵机连接法兰盘的结构示意图；

图11是本发明的四足机器狗模拟仿生犬类的行走姿态时的结构示意图；

图12是本发明的四足机器狗四肢收起过程的结构示意图；

图13是本发明的四足机器狗履带小车背负机器狗前进的结构示意图。

图中

1：脚套2：小腿主干

3：小腿主干连接件4：小腿舵机连接件

4.1：小腿舵机固定板4.2：大腿主干连接套

4.3：下端部插入孔4.4：大腿主干固定孔

4.5：小腿舵机轴孔4.6：小腿舵机固定孔

5：大腿主干6：大腿主干连接件

6.1：连接件主体6.2：上端部插入孔

6.3：主干固定孔6.4：辅助孔

7：大腿舵机8：大腿舵机连接件

8.1：大腿舵机连接板8.2：支撑肋板

8.3：法兰盘连接板8.4：法兰盘固定孔

8.5：大腿舵机轴孔8.6：大腿舵机固定孔

9：躯干主体9.1：框架前横梁

9.2：框架后横梁9.3：框架上纵梁

9.4：框架下纵梁9.5：支撑肋板

9.6：前躯干舵机轴孔9.7：前躯干舵机固定孔

9.8：后躯干舵机轴孔9.9：后躯干舵机固定孔

9.10：前躯干舵机9.11：后躯干舵机

9.12：第一输出轴9.13：前连接法兰盘

9.14：第二输出轴9.15：后连接法兰盘

10：大腿舵机连接法兰盘11：电磁铁

12：履带小车13：小腿舵机

13.1：第三输出轴14：小腿舵机连接法兰盘

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种协同履带式的四足机器狗做出详细说明。

本发明的一种协同履带式的四足机器狗，是由身体框架，两个前肢腿以及两个后肢腿以及一个履带车底盘构成。在身体框架的四角分布有舵机固定孔和舵机轴伸入孔，将控制机器狗左右自由度的舵机用螺丝固定在身体框架上，使机器狗具备左右运动的能力。之后通过法兰盘将两个前肢腿和两个后肢腿固定到控制左右自由度的四个舵机上。履带小车通过身体框架下方的电磁铁与身体框架连接。所述的舵机充当关节。

如图1所示，本发明的一种协同履带式的四足机器狗，包括躯干主体9，分别连接在所述躯干主体9四个端部的能够在平坦道路或复杂地形上行走且能够自行折叠及旋转的四个肢腿a，以及通过电磁铁11连接在所述躯干主体9腹部、用于带动躯干主体9和四个肢腿a整体在平坦道路行走的履带小车12。

如图2所示，所述的躯干主体9包括有框架前横梁9.1和框架后横梁9.2，分别连接在所述框架前横梁9.1和框架后横梁9.2上端边之间的若干条框架上纵梁9.3，连接在所述框架前横梁9.1和框架后横梁9.2下端边之间的框架下纵梁9.4，以及连接在相对应的框架上纵梁9.3和框架下纵梁9.4之间的支撑肋9.5，所述的电磁铁11连接在所述框架下纵梁9.4的下端面上，所述框架前横梁9.1的两端和框架后横梁9.2的两端分别设置有用于连接并驱动所述四个肢腿a旋转的躯干舵机驱动机构。

如图2所示，所述框架前横梁9.1的两端分别形成有前躯干舵机轴孔9.6和前躯干舵机固定孔9.7，所述框架后横梁9.2的两端分别形成有后躯干舵机轴孔9.8和后躯干舵机固定孔9.9。如图3、图4、图5所示，所述的躯干舵机驱动机构，包括有分别设置在所述框架前横梁9.1两端内侧的两个前躯干舵机9.10，以及分别设置在所述框架后横梁9.2两端外侧的两个后躯干舵机9.11，所述两个前躯干舵机9.10的第一输出轴9.12对应贯穿形成在所述框架前横梁9.1上的前躯干舵机轴孔9.6连接位于框架前横梁9.1外侧的用于连接所述四个肢腿a中前端两个肢腿的前连接法兰盘9.13，所述两个后躯干舵机9.11的第二输出轴9.14对应贯穿形成在所述框架后横梁9.2上的后躯干舵机轴孔9.8连接位于框架后横梁9.2内侧的用于连接所述四个肢腿a中后端两个肢腿的后连接法兰盘9.15。

如图1所示，所述的四个肢腿a结构相同，所述四个肢腿a中前端两个肢腿和后端两个肢腿均为对称设置，并且，位于躯干主体9同一侧的两个肢腿设置方向相同，所述的四个肢腿a均包括有用于与所述的躯干舵机驱动机构中的前连接法兰盘9.13或后连接法兰盘9.15相连接的大腿舵机连接件8，固定连接在所述大腿舵机连接件8的一个侧面上的大腿舵机7，所述大腿舵机7的输出轴贯穿所述大腿舵机连接件8并通过位于大腿舵机连接件8另一侧面的大腿舵机连接法兰盘10连接大腿主干连接件6，所述大腿主干连接件6固定连接大腿主干5的一端，所述大腿主干5的另一端固定连接小腿舵机连接件4，所述小腿舵机连接件4的一个侧面上固定连接有小腿舵机13，所述小腿舵机13的输出轴贯穿所述小腿舵机连接件4通过位于小腿舵机连接件4另一侧面的小腿舵机连接法兰盘14连接小腿主干连接件3，所述小腿主干连接件3固定连接小腿主干2的一端，所述小腿主干2的另一端连接脚套1，所述的脚套1使用pvc橡胶材料，使机器狗在行走运动过程中，增大其与接触面的摩擦力。

如图6所示，所述的大腿舵机连接件8包括有大腿舵机连接板8.1，所述大腿舵机连接板8.1上部分通过支撑肋板8.2设置有用于与所述前连接法兰盘9.13或后连接法兰盘9.15固定连接的法兰盘连接板8.3，所述法兰盘连接板8.3上形成有用于固定前连接法兰盘9.13或后连接法兰盘9.15的法兰盘固定孔8.4，所述大腿舵机连接板8.1的下部分形成有用于贯穿所述大腿舵机7的输出轴的大腿舵机轴孔8.5，以及用于固定所述大腿舵机7的大腿舵机固定孔8.6。

如图7、图8所示，所述的小腿舵机连接件4包括有小腿舵机固定板4.1和一体形成在所述小腿舵机固定板4.1一侧的用于连接大腿主干5的大腿主干连接套4.2，所述大腿主干连接套4.2上形成有用于插入大腿主干5下端部的下端部插入孔4.3，所述大腿主干连接套4.2的套壁上形成有若干个用于固定大腿主干5的大腿主干固定孔4.4，所述小腿舵机固定板4.1上形成有用于贯穿所述小腿舵机13第三输出轴13.1的小腿舵机轴孔4.5和用于固定所述小腿舵机13的小腿舵机固定孔4.6。

如图9所示，所述的大腿主干连接件6和小腿主干连接件3结构相同，均包括有与所述的大腿舵机连接法兰盘10或小腿舵机连接法兰盘14固定连接的连接件主体6.1，沿所述连接件主体6.1轴向形成的用于插入所述大腿主干5或小腿主干2上端部的上端部插入孔6.2，所述连接件主体6.1径向形成有用于固定所述大腿主干5或小腿主干2上端部的主干固定孔6.3。

如图9所示，所述上端部插入孔6.2在所述连接件主体6.1上为贯通形成，所述连接件主体6.1上与所述上端部插入孔6.2相垂直的形成有方便安装大腿主干5或小腿主干2上端部的辅助孔6.4。该辅助孔也可辅助于大腿主干连接件6、小腿主干连接件3分别与大腿舵机连接法兰盘10、小腿舵机连接法兰盘14的安装。

如图10所示，本发明所述的前连接法兰盘9.13、后连接法兰盘9.15、大腿舵机连接法兰盘10和小腿舵机连接法兰盘14结构相同，均包括有法兰盘底盘15，所述法兰盘底盘15中心垂直向外凸出的形成有凸台16，所述凸台16轴心形成有用于与前躯干舵机9.10或后躯干舵机9.11或大腿舵机7或小腿舵机13的输出轴固定连接的连接孔17，所述凸台16的侧面形成有与所述的连接孔17相连通用于固定大腿舵机7或小腿舵机13的输出轴的固定螺孔18，所述法兰盘底盘15上沿圆周形成有若干个用于与所述大腿舵机连接件8、大腿主干连接件6和小腿主干连接件3固定连接的法兰盘连接孔19。

本发明的实施例中：所述的脚套采用亿达橡塑制品厂生产的型号为圆外套35mm的产品；所述的大腿舵机、小腿舵机、前躯干舵机和后躯干舵机是采用东莞市达盛舵机科技有限公司生产的型号为ds555的磁编码超大扭矩合金舵机24v；所述的电磁铁采用乐清兴昊电气有限公司生产的型号为xda-40/40/17的产品；所述的履带小车采用深圳市深联科技有限公司生产的型号为ts100的产品。

下面通过图1中所示右前肢的动作说明本发明的一种协同履带式的四足机器狗的工作过程：在地形较为复杂的环境下，本发明的机器狗模拟仿生犬类的行走姿态，实现前进；在地形平坦的地方，由大腿舵机7控制大腿主干5旋转成如图11所示的水平状态，同时小腿舵机13控制小腿主干2旋转成如图11所示的与大腿主干5成40～50度夹角的状态；然后前躯干舵机9.10控制大腿舵机连接件8旋转成如图12所示的水平状态；大腿舵机7控制大腿主干5旋转带动小腿主干2成如图13所示的搭在履带小车12的上端面上的状态。可使履带小车12着地，实现履带小车背负机器狗前进，更加节省能耗。